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论中国古代的数论

时间:2022-11-18 19:30:03 来源:网友投稿

摘要:数论就是一门研究整数性质的学科,它是数学中最古老,最纯粹,最优美的一个领域。本文探讨了中国古代数论的历史和发展现状,论述了中国古代数论在数学发展中的重要影响。

关键词:数论古代数论整数中国剩余理论

素有数学王子之称的德国19世纪数学大师高斯(Gauss,1777-1855)就曾说过:数学是科学的皇后,数论是数学的皇后。由此可见数论在数学中的重要地位。正因为正整数的性质深刻复杂、难以琢磨,并涉及到数学的实质与本原,因此数论长期以来一直被认为是一门优美漂亮,纯之又纯的数学学科。

(一) 算筹

现存资料中,算筹数字的记数法则最先出现在《孙子算经》卷上,而《夏侯阳算经》更为完整:“一从十横,百立千僵,千十相望,万百相当。满六以上,五在上方。六不积算,五不单张。”因此算筹数字分纵横两式。

数字: 1 2 3 4 5 6 7 8 9

纵式:

横式:

用上述符號,以及用空位表零,则任何一个自然数都可以表示出来,比如1991便是,它完全采用十进位置值制,这是当时世界上最简便的计算工具,最先进的记数制度,比古巴比伦的六十进位置值制方便,比古希腊、罗马的十进非位置制先进。

(二)九九表与整数乘除法则

九九乘法表在春秋时期已经广泛流传。乘除法法则要用到九九表。《管子》与刘徽都谈到伏羲作九九之术。九九之术就是九九表。古代的九九表从“九九八十一”起到“二二如四”止,故名。《韩诗外传》说齐桓公设庭燎招贤,过了一年,没有一个人来。于是东野有以“九九”见者,桓公使戏之曰:“九九足以见乎?”鄙人曰:“……夫‘九九’薄能耳,而犹礼之,况贤于九九者乎!……桓公曰:善。”乃固礼之。四方之士相导而至矣。说明在春秋时期乘除算法已经是家喻户晓的常识。

中国最早的数学典籍《周髀算经》(至晚公元前1世纪),用数学的方法阐明盖天说和四分历法的数理天文文学著作。它记载了西周杰出的政治家、军事家、思想家,文王之子、武王之弟周公(公元前11世纪)与大夫商高关于测量的一段对话,其中提到:勾广三,股修四,径隅五。这应该是(3,4,5)这组最小的勾股数的首次记录。在《周髀算经》里还叙述了周公后人荣方与陈子(约公元前6、7世纪)的一段对话:“ 以日下为勾,日高为股,勾股各自乘,并而开方除之,得斜至日。”此即勾股定理。

根据《周髀算经》记载,陈子求斜日的方法应用了完整的勾股定理。《九章算术》[1]勾股章明确提出了勾股术:勾股术曰:勾、股各自乘,并,而开方除之,即弦。又,股自乘,以减弦自乘,其余,开方除之,即勾。又,勾自乘,以减弦自乘,其余,开方除之,即股。这依次是

c=a2+b2

a=c2-b2(1)

b=c2-a2

勾股数组,又称整数勾股形。是指满足(1)式的所有正整数解。《九章算术》勾股章“二人同所立”、“二人俱出邑中央”问已经使用了勾股数通解公式。

刘徽说:“此以南行为勾,东行为股,邪行为弦。并勾弦率七。”此问设(c+a):b=7:3。若以m表示并勾弦,n表示股率,即(c+a):b=m:n,术文便是:a:b:c=112(m2-n2):mn:112(m2+n2)。(2)

现代数论证明,若互素,则(2)式就是勾股数组的通解公式。而在这个题目中,m:n=7:3,在后者中m:n=5:3,其中的m,n,皆互素,说明《九章算术》的编纂者对(2)作为勾股数组的通解公式的条件已有某种认识。

在《孙子算经》里,提到一个“物不知数”的问题:

今有物不知其数,三三数之剩二,五五数之剩三,七七数之剩二,问物几何?

《孙子算经》的作者不详,一般认为这是公元4世纪(东晋)的作品,比孙武(约公元前535—)的《孙子兵法》要晚得多。用同余的语言来表述“物不知数”问题就是

x≡2(mod 3)

x≡3(mod 5)

x≡2(mod 7)(3)

《孙子算经》的解法是

N=2×70+3×21+2×15-2×105=23,

其根据是:70=2×5×7≡1(mod 3),21=3×7≡1(mod 5),15=3×5≡1(mod 7)。可见《孙子算经》的作者在一定程度上明白了下面这个定理。

若Ai(i=1,2,……n)是两两互素的正整数,Ri

ki=n1j=1Aj1Ai≡1(mod Ai),i=1,2,……n,

则N≡n1i=1Rikin1j=1Aj1Ai(modn1j=1Ai)(4)

这是满足上述同作方程组最小正整数。书中还指出了关于这3个模的一般同余方程组的求解方法,其中余数2,3和2可以换成任意数。这是孙子定理的特殊形式,唐代僧人天文学家一行(683—727)曾用此法制订历法,但其更一般的方法要到宋代才由秦九韶在其名著《数书九章》[2](1247)里给出。对任意的正整数mi和整数bi(1≤i≤k),秦九韶考虑了同余方程组

x≡b1(mod m1)

……

x≡bk(mod mk)

中国剩余定理:设

(mi,mj)=1(i≠j),m=m1……mk,m=miMi(1≤i≤k)

则同余式组(3)对模有唯一解

x≡M’1M1b1+……M’kMkbk(mod m),其中M’1Mi≡1(modmi),1≤i≤k.

中国剩余定理[3]亦称孙子定理,按照中国数学家潘承洞(1934—1997)的说法,西方人之所以命名为中国剩余定理,是因为中国古代数学家贡献的著名定理仅此一个,可谓是一种轻视。然而,远在孙子之前的秦朝末年,便有了中国剩余定理的特例:韩信点兵。有兵一队,若列成5行纵队,则末行1人;6行纵队,则末行5人;成7行纵队,则末行4人;成11行纵队,则末行10人。求兵数?值得一提的是,秦九韶(1202或1208—1261)字道古,在杭州浙江大学附近的西溪路上,曾有一座桥叫道古桥,就是为了纪念这位13世纪的数学家。

初等数论是数论中不求助于其他数学学科的帮助,只依靠初等的方法来研究整数性质的分支。比如中国古代有名的“中国剩余定理”,就是初等数论中很重要的内容。

参考文献:

[1] 王工一.论《九章算术》和中国古代数学的特点[J]. 丽水学院学报,2006(02).

[2] 孔国平.《数书九章》中的一次同余式理论[J].北京师范大学学报(自然科学版),1988,(02).

[3] 桂建明.中国剩余定理及其应用[J].零陵学院学报,2005,26(2):138-140.

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